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VR趋势深刻影响未来数字化工厂

2016-08-20 13:42:05 文章来源:泥客论坛 字体:

数字世界在物理世界的重新凝实,将成为第四次工业革命的关键环节,虚拟现实技术也将在这个领域发挥非常关键的作用。在未来的数字化时代里,虚拟现实很可能成为继PC机、手机之后的下一代计算平台,在数字化工厂的应用前景会更加广阔,它的人机交互性能将把整个人类科技的发展带上一个新阶梯。

如果我们列个表,把2016年最火的黑科技名词全放上来,虚拟现实(VR)一定能排在前三位。浙江省今年的高考作文题目甚至就是《虚拟与现实》,VR这个极客词汇似乎已经进入寻常百姓家。

然而,虽然中国VR市场热度持续高涨,但在技术和产品内容上都还存在很大的缺陷。机构投资人也是观望的居多,真正出手的很少。VR的市场教育和渠道体系还比较初级,听说过VR的人很多,见过的很少,体验过的人就更少了。

那么虚拟现实行业的发展现状和未来趋势到底如何?它对于数字化工厂未来工业的发展又会有哪些影响呢?值得我们对此一探究竟。

VR定义

VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、MR(混合现实)都属于把虚拟世界直接凝实为人类感知的技术。

VR(虚拟现实)是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

而AR(增强现实)则是通过电脑技术,将虚拟的信息应用到真实世界,真实环境和虚拟物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。你能在一个空间里面切切实实地见到虚拟的物品,甚至虚拟的人。

至于MR(混合现实技术),它既增强现实,也增强虚拟,指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存并实时互动。

这三个概念的区别在于,虚拟现实(VR)中,我们看到的场景和人物全是假的,它是把你的意识带入一个虚拟的世界。比如电影《黑客帝国》、《盗梦空间》里出现的,就是VR技术。VR设备往往是浸入式的,典型的设备就是我们熟悉的各种虚拟现实头盔。

增强现实(AR)中,我们看到的场景和人物一部分是真一部分是假,是把虚拟的信息带入到现实世界中。比如电影《钢铁侠》的操作界面,显示了很多物理世界的属性参数,就是用AR技术。AR设备可以是非浸入式的,普通移动端手机升级版如Google Project Tango,谷歌眼镜这些都可以成为AR终端。

比较难以辨别的是混合现实(MR)技术。单从概念上来说,它和AR并没有明显的界限,都是将虚拟的物体放入现实的场景中,也有很多业内人士认为这两种技术的概念是一致的。唯一的细微区别在于,在AR的视界中,出现的虚拟场景通常都是一些二维平面信息,这些信息甚至可能和我们目前看到的事物无关,功能只是在不影响我们正常视线的情况下起到提示的作用,所以这些信息会固定在那里,无论我们看哪个方向,该信息都会显示在我们视野中某个固定的位置上。而MR则是将虚拟场景和现实融合在一起,只有我们看向那个方向的时候,才会看到这些虚拟场景,看向其它方向的时候就会有其它的相应信息显示出来,而且这些信息和背景的融合性更强。简单来说,虚拟信息如果跟随视线移动就是AR,如果相对于真实物品固定就是MR。

VR的历史

其实虚拟现实并不是什么全新的技术,它的第一个原型设备出现于1968年,距离今天已经有半个世纪了。这台原型机已经具备了立体显示、虚拟画面生成、头部位置跟踪、虚拟环境互动、模型生成这五个虚拟现实非常关键的元素,并且有一个非常酷炫的名字:The Sword of Damocles(达摩克利斯之剑)。

原型的作者是被誉为“计算机图形学之父”和“虚拟现实之父”的著名计算机科学家Ivan Sutherland,他也是人机交互领域的奠基人。不过在1968年,第一个鼠标才刚刚诞生于斯坦福大学;个人计算机(PC)那时候根本谈不上“个人”;别说在PC上玩3D游戏,连显卡都没有。所以这样“疯狂”的构想,也就只能放在实验室里落灰了。事实上也是如此,Ivan Sutherland的论文在1968年秋季发表后,并没有得到什么反响,虚拟现实也就渐渐地埋没于那个时代里。

时间推进到了1980年代,这个时候最重要的改变是,组成虚拟现实的各种设备都可以独立购买了。比如市场上已经可以买到Sony生产的便携式LCD显示器、带有关节动作传感器的手套、支持实时三维建模的显卡等等。所以在1987年,另外一位著名的计算机科学家Jaron Lanier,就这么东拼西凑地组装出了一款价值10万美元的虚拟现实头盔。这个头盔看起来有点像Oculus,但是这套虚拟现实系统是第一款真正投放市场的VR商业产品。

2014年,Facebook以20亿美元收购了虚拟现实公司Oculus,一般人们认为这个事件才真正开启了全球VR的时代。Oculus、索尼、HTC先后投入巨资,抢占VR市场,中国企业也紧随其后,在众多产业资本的追捧下,国内VR产业的热度已仅次于美国。VR的硬件和内容创业公司层出不穷。2016年1月21日暴风魔镜宣布2.3亿元B轮融资,融资完成后估值已达14.3亿元,成为国内目前估值最高的VR公司。

VR产业链分析

VR产业分为4大部分,分别是硬件设备、内容制作、分发平台以及应用开发。目前从国内的VR创业公司来看,变现渠道主要集中在销售VR设备上,部分拥有行业资源的公司采用应用开发变现,比如军工、培训等。而C(内容制作)端的内容制作和分发平台目前还处于起步阶段,有的仅仅是一些线下游戏体验店,还没有形成完整的产业和良性的价值流动。

硬件设备

VR硬件设备主要包含输入、输出设备,以及软件三个部分。

输入设备主要是键盘、手柄、动作捕捉器等这一类将人体动作转换为虚拟信号的设备。输出设备主要是移动手机、头盔等常见的载体。VR设备的人机交互、定位、动作分析等等,通常都是由安装在硬件中的软件来完成的。

随着技术主要是光学显示、陀螺仪、传感器三项技术的成熟及普及化,VR设备的整体水平在快速提升,目前国内开发VR设备的厂商已经多达90多家,但由于VR硬件的沉浸感、眩晕等问题还没有颠覆性的技术突破,目前整个行业还受到硬件的制约,应用也主要以游戏VR为主。

内容制作

游戏、影视、直播是目前VR内容最大的三个领域。因为VR内容的制作并不是传统制作模式的副产品,需要专门的制作方式和技术手段,而当下VR的市场还没有完全打开,内容制作商的积极性并不高,这种现状导致目前市场上内容制作商远远少于硬件制造商,也成为制约VR发展的最大短板。

分发平台

VR内容分发平台是消费者接触和选择VR内容的渠道,目前主要有三类:线上分发平台、线下体验店以及手机应用商店。线上平台主要提供电影、游戏等各类VR内容的下载;线下体验馆主要由暴风魔镜、乐视等资金实力较强的大公司设立,目的在于让消费者能够直观体验,培育市场;手机应用商店则是专门用来下载VR相关的各类APP应用。

总体来说,目前VR还是属于一种轻决策产品,能否方便地接触到产品和内容,是消费者做出购买决策的关键。所以当前内容分发平台是制约整个VR行业发展的关键。

应用开发

虚拟现实领域的市场成熟度目前还比较弱,依靠C端变现还是比较困难,目前除了依靠投资人输血,很多拥有行业资源的VR企业也会选择在B端变现,做定制化的应用开发。比如企业培训、商业建筑、旅游服务、虚拟工厂等等,这是一块非常广阔的市场,具有一定的深耕价值。

VR在数字化工厂中的应用

虚拟现实技术虽然在消费品市场比较火热,但在我看来,这项技术在数字化工厂的应用前景会更加广阔,因为它将解决目前制造业工厂中的三个痛点:

成本问题

制造业的成本高是多方面的,而且不同的行业问题也不一样,但是有一点在中国当前是比较普遍的,就是用工成本的上升。一方面工人的工资水平在提高,另外一方面,由于新生代的权利意识觉醒,跳槽变得越来越频繁,很多工厂每年要有很高比例的老工人离职,新工人上岗。而以往新工人上岗之前,需要进行几个月的实习和技术培训,才能成为一个熟练工,即使是一个熟练工,其成本在近几年是呈几何级上升的,虚拟现实技术将成为这个问题的重要解决方案。

使用VR和AR技术,可以在眼睛屏幕上直接显示操作指令与说明图片,可让员工

随时查询和执行作业。虚拟现实技术与数字化工厂结合之后,一个新人也能随时调用每台设备的参数和互动式的操作手册,这会大大减少工厂内专家型工人的雇佣,降低劳动成本。

在数字化工厂应用了虚拟现实技术之后,企业培训的目标不再是让工人掌握某种技能,而是如何使用这些高效的数字化工具,如何有效地进行人机互动。这个门槛远比设备操作要低得多,而且随着VR技术的发展,交互性会越来越友好,学习成本也会越来越低。

效率问题

效率问题可以举个例子说明。我们打出租车的时候,在没有建立起北京市的虚拟城市地图之前,我们需要有经验的司机,因为我们需要问路,需要预测什么时间到,遇到堵车需要借助运气和司机的经验。而当建立了一个虚拟的城市模型以后,在虚拟地图上可以设置起点和终点,可以对路线进行优化以选择最优路径,虚拟的导航地图可以和真实的行车数据进行互动,可以实时纠偏,而且多次往返以后地图数据会反馈回一个优化的线路。虚拟模型和真实模型形成双向数据流,不断地迭代、优化,实现最优的生产模型。这就是我们所说的集成虚拟世界和现实世界,把虚实结合在一起,实现生产效率的提高。

AR技术可以根据现场情况通过算法得出运行最快、步骤最少的解决方案。以菜鸟物流为例,拣货员从快递箱中取出需要配货的订单,运用AR眼镜扫描订单上的二维码,就从眼镜镜片屏幕中看到了该订单包含的详细商品信息。然后拣货员精确地从面前货架上取货、确认、放入快递箱。货品的摆放也经过了智能算法的优化,以保证拣货员在最短的时间内完成一个订单的货品分拣。在这里,一个订单货品的分拣仅需要三分钟左右,大大节省了时间,而且AR眼镜还能瞬间采集所看到的信息,远远超过以往速度。

时效性问题

企业难免会出现各种故障,而对企业来说一分钟的停滞就可能造成成千上万元的损失。对于拥有外勤人员的企业,更是存在信息交换不到位、出现故障无法及时解决等问题。

虚拟现实技术能够缩短问题诊断与修复的时间,且不再需要另外派遣专家前往

远端据点。事故现场任意员工皆可通过AR眼镜与远端专家通过视频协作完成任务,拥有极高的时效性并省下专家飞往现场提供协助的开销。

远端现场的员工可由通信与即时视频分享让有经验的员工提供问题诊断及修复的建议。问题瞬间解决的同时还提高了准确性。

VR在数字化工厂中的应用举例

在传统的数字化技术中,计算机系统仅仅是给人类提供协助,人类仍然需要自己操控系统。而新时代的人机交互则需要颠覆性的方法,我们可以把它命名为“虚拟工程”,虚拟现实技术只是虚拟工程的工具。

虚拟工程提供了一个完整的系统视图,让开发者、供应商、制造商和用户能够以同样的方式来虚拟使用那些尚不存在的物品,并根据其特性和功能做出全面的评估。计算机是计算技术时代的基础设施,而虚拟现实就是虚拟工程时代的基础设施,是下一代计算平台。它最大的价值在于,从此人类不用再去学习如何更好地使用机器,而是机器反过来学习如何更好地服务于人。

我们可以从几个例子获得一些认识。

工业互联网行业——西门子

西门子在波音和卡特彼勒一直有一个叫“Cave”的项目,它是一个混合虚拟和现实物理环境的服务,从产品的初始开发就基于虚拟环境来进行,而后在产品生命周期中建立虚拟实物模型,在生产过程中进行交互式的灵活性评估,最后再研究客户对于不同型号产品的情感反馈以及在沉浸环境中创建学习的新形式。

在Cave制造的环境里,现实物体的图像和物理设置会被投影到真实的墙壁上,使用者通过佩戴传感器可以体验墙上图像形成的虚拟环境。

Cave的基本配置有:三面投影墙;地面投影地板;墙壁跟踪传感器;利用三面墙壁形成立体音响。

三面墙壁和地面投影加强3D环境感和立体音效,Cave墙壁上有跟踪传感器捕捉使用者在房间内的动作,专用的眼镜根据捕捉到的动作形成图像。戴上眼镜,你就感觉进入了“墙内的世界”。

但是从这个配置你可以看出,Cave的造价是非常高的。如今用户版虚拟现实头盔的出现使这套设备的成本大幅缩减了,所以西门子有了新想法:不仅为波音这类大客户服务,也可以利用已有技术进军大众消费市场。

西门子在德国调研的100多家生产商里,超过1/3的公司正在使用虚拟现实技术,或在未来3年内计划引进该技术,同时,这些生产商也表达出对AR的浓厚兴趣。

飞机制造行业——波音、空客

早在上世界90年代初,美国波音公司的计算机服务研究和技术组就已经将AR技术应用于飞机制造中的电力线缆的连接和接线器的装配中。在AR系统的帮助下,一个从未受过任何训练的工人都可胜任此项工作,从而缩短员工培训的周期。

2003年德国成功研制出用于工业设备装配和维修的Starmate系统和Arvika系统,之后,欧洲航空防务与航天公司(EADS)利用Arvika系统,通过语音调用计算机生成的提示信息,指导工人轻松地完成lm×6m板上的高密度布线工作。

空客公司利用Arvikx系统进行了“干净水系统的转配”和“配电盘连接”的工作,充分展现了AR技术在工业装配、维修方面的巨大潜力。   

汽车制造行业

当虚拟现实技术应用到汽车的工业设计和生产当中,设计者可以借助虚拟现实头盔显示,在与真实汽车同样比例的立体空间中,全方位了解每一处设计细节,最大程度上避免设计和生产失误,减少人力成本和资源浪费。

自2000年以来,福特就开始在汽车设计过程中以多种方式利用虚拟现实技术。福特的Immersion Lab实验室中一些员工戴上虚拟现实头盔,并模拟观察一辆汽车,而他们的同事将可以通过大屏幕查看他们的体验,并且在多种不同条件下以虚拟方式去查看汽车,提升驾驶者的人体工程学体验等。

最近,奥迪推出了一项名为“虚拟装配线校检”的技术,利用3D投射和手势控制,可以使流水线工人在三维虚拟空间内完成对实际产品装配工作的预估和校准。整个测试过程是在名为“CAVE”的虚拟现实空间中完成的,而CAVE系统最关键的则是利用投影仪向地板、墙壁投射3D影像的装置,使用者佩戴3D眼镜进入后,便可有身临其境的感觉。

近年来,在汽车行业,AR智能设备更是呈现普及趋势。

2015年感恩节的时候,大众汽车就给员工配备了30几副AR智能眼镜,来辅助员工工作。该款AR智能眼镜可直接为佩带者提供相应的信息并且显示在可视区域,使得工人再也不用怕记不住、分不清各类繁琐信息而手忙脚乱了;其声控功能实现了真正意义上的解放双手;并可进行条形码扫描,还提供了条形码验证的红、绿信号提示。

AR技术还以其独特的魅力,给工业设备维修领域带来无限惊喜。面向工业设备维修的AR智能眼镜,可通过AR技术显示解决设备故障的具体操作步骤,甚至细到准确说明如何拆卸零部件。同时,通过内置耳机,维修人员能听到每一个操作步骤的语音提示。因此,即使是没有任何经验的新手,也能顺利完成维修任务,还能保证整个维修过程的标准化和规范化。并且,AR技术与数据分析相结合,可以轻松判断哪些设备运转正常,实现预防性的设备维护。

从人类发明数学开始,物理世界的虚拟化趋势已经持续了数千年,计算机IT技术的发展促进了虚拟化后的数据流动趋势,而数字世界在物理世界的重新凝实,将成为第四次工业革命的关键环节,虚拟现实技术也将在这个领域发挥非常关键的作用。在未来的数字化时代里,虚拟现实很可能不仅仅是一个极客的玩物,而是继PC机、手机之后的下一代计算平台,它的人机交互性能将把整个人类科技的发展带上一个新的阶梯。

至于VR技术的发展路径,我在过去的一年里见过500多位工业领域的创业者,他们也许是这个世界上最聪明的一群人,无时无刻不在思考当下的技术瓶颈和市场空白,他们把自己的思考变成一个个创业项目,在市场中实践。虽然VR技术的未来依然需要很多的努力,但也许正是这种目前看不清甚至可能被人看不起的地方,才是未来的机会,才会让市场如此兴奋。

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